Clase 4-2

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
BANDAS DE VALENCIA Y DE CONDUCCIÓN
MECANISMOS DE CONDUCCIÓN EN UN SEMICONDUCTOR
SEMICONDUCTORES
*Semiconductor
*Cristal de silicio
*Enlaces covalentes. Banda de valencia
*Semiconductor intrínseco
*Baja temperatura: No hay conducción
*Temperatura ambiente: Suficiente
energía para que algunos electrones
pasen a la banda de conducción
* Hay electrones libres
* Los electrones dejan espacios: Huecos
* Los huecos los ocupan otros electrones
* Conducción en la banda de valencia
* Conducción en la banda de conducción
* Electrones: Portadores negativos
* Huecos : Portadores positivos
DOPAJE CON IMPUREZAS
* Se difunden átomos de impurezas
* Donantes: Valencia 5: Fósforo,
Arsénico, Antimonio (Material N)
*Aceptoras: Valencia 3: Boro, Indio,
Aluminio (Material P)
* Semiconductores extrínsecos
* Portadores mayoritarios y
minoritarios
* En un semiconductor extrínseco la
densidad de portadores mayoritarios es aproximadamente constante mientras
que la densidad de portadores minoritarios aumenta con la temperatura.
* Cuando la densidad de portadores minoritarios llega al 10% de la densidad
de portadores mayoritarios, el semiconductor se comporta como intrínseco.
TIPOS DE CORRIENTE EN UN SEMICONDUCTOR
Corriente de Difusión:
* Es el flujo de carga eléctrica asociado con el movimiento aleatorio debido
a la agitación térmica.
* Lo causa el gradiente de concentración de los portadores.
* Los huecos y electrones se mueven en la misma dirección (de zonas de
mayor concentración a zonas de menor concentración).
* Las corrientes tienen signo opuesto.
Corriente de Deriva, Arrastre o Desplazamiento:
* Es el flujo de carga eléctrica producido por la aplicación de un campo
eléctrico.
*Los huecos se mueven en una dirección en la capa de valencia y los
electrones se mueven en la otra dirección en la capa de conducción.
* Las corrientes tienen el mismo sentido.
LA JUNTURA PN
*Se forma al poner en contacto un
semiconductor P con uno N.
* Los huecos se difunden de P a N y los
electrones de N a P, dando lugar a la
corriente de difusión ID, cuya dirección
es de la región P a la N.
* Al cruzar la juntura, los que eran
portadores mayoritarios en su región se
convierten en minoritarios y se
recombinan con los respectivos átomos.
*Del lado P hay átomos de impurezas
aceptoras sin cubrir y del lado N
impurezas donantes sin cubrir. Se forma
la región de vaciamiento o zona de carga espacial al quedar átomos
(iones) con carga positiva en la región N y negativa en la región P.
* Se genera un campo eléctrico que
forma una barrera de potencial VO la
cual se opone a que continúe la
difusión.
* Además de la corriente de difusión,
hay corriente de deriva IS debido al
movimiento de los portadores minoritarios.
* Los electrones de la región P generados térmicamente que llegan a la
barrera de potencial son barridos hacia la región N y los huecos de la región
N generados térmicamente son barridos hacia la región P donde pasan a ser
portadores mayoritarios.
* Dado que la corriente IS se debe a los portadores minoritarios generados
térmicamente, su valor depende fuertemente de la temperatura y es
independiente del valor del voltaje de la barrera de potencial VO
* Bajo condiciones de circuito abierto debe haber equilibrio ID = IS
* El equilibrio lo mantiene Vo.
*Si ID aumenta porque hay más difusión de una
región a la otra, aumentará el número de cargas no
cubiertas, por lo que aumentará Vo, lo cual hará que la difusión disminuya,
hasta que ID = IS.
*Si IS aumenta, el número de impurezas sin cubrir de cada lado disminuye,
por lo que la zona de carga espacial se hace más estrecha, el valor de VO
disminuye, lo cual hace que aumente la corriente de difusión ID hasta que
nuevamente ID = IS.
* Vo depende de las concentraciones de portadores y de la temperatura. Para
dispositivos de silicio, su valor está entre 0,6 y 0,8 V.
* Cuando el dispositivo no está conectado, el voltaje entre los terminales es
cero. Esto se debe a que los voltajes de las junturas metal-semiconductor de
los extremos, equilibran exactamente el voltaje de la zona de carga espacial.
Si esto no fuera así, podríamos obtener energía de las junturas PN, lo cual
viola el principio de conservación de la energía.
LA JUNTURA PN EN POLARIZACIÓN DIRECTA
Disminuye la barrera de potencial Vo, lo cual hace que aumente la corriente de difusión tanto de los huecos como de los electrones, haciendo que circule una corriente I de la región P a la región N, donde I =ID - IS. CAPACITANCIA DE DIFUSIÓN
*Al haber conducción, hay un exceso de portadores minoritarios en ambas
regiones, cuyas concentraciones dependen del voltaje aplicado.
* Si cambia el voltaje deben cambiar las concentraciones. El efecto de acumulación de carga da origen al efecto capacitivo denominado Capacitancia de Difusión. LA JUNTURA PN EN POLARIZACIÓN INVERSA
*Se incrementa el voltaje de juntura Vo, lo cual hace que aumenten los átomos ionizados y aumenta la zona de carga espacial. *Inicialmente se produce una corriente inversa debido al número de portadores que abandonan la zona de carga espacial. *Una vez en equilibrio, continúa circulando una corriente comparativamente pequeña, denominada corriente inversa del dispositivo. CORRIENTE INVERSA DIODO DE POTENCIA CAPACITANCIA DE JUNTURA Al tener dos áreas cargadas, una con voltaje positivo y otra con voltaje
negativo, se dispone de un condensador en la zona de carga espacial, cuya
capacitancia depende del voltaje inverso aplicado.
Aunque la función no es lineal, puede trabajarse con valores de carga
directamente proporcionales al voltaje de juntura si se consideran
variaciones de voltaje pequeñas alrededor del punto Q.
REGIÓN DE RUPTURA (BREAKDOWN)
*Si se sigue aplicando voltaje negativo a la juntura PN se entra en la región
de conducción inversa, o ruptura, o breakdown.
*No todos los tipos de diodos pueden operar en esa zona. Puede ser
destructivo si se sobrepasa la capacidad de disipación máxima de la juntura.
* La ruptura se puede deber al efecto avalancha o al efecto zener.
*El efecto avalancha ocurre cuando el voltaje inverso aplicado introduce
suficiente energía para que los portadores choquen con los iones,
rompiendo un enlace covalente, lo cual genera un hueco y un electrón que se
mueven en direcciones opuestas, produciendo a su vez nuevos huecos y
electrones, lo cual da origen a una corriente externa con muy poco cambio
en el voltaje de juntura.
*El efecto zener ocurre cuando el campo es mucho mas intenso y la energía
introducida es tan elevada que los enlaces covalentes se rompen sin que
haya colisión. El incremento del voltaje de juntura es muy reducido.
*Menor de 5V: zener; mayor de 8 voltios: avalancha; entre 5 y 8 V: ambos.
RELACIÓN CORRIENTE-VOLTAJE DE LA JUNTURA PN
⎛⎜ v / nvt
⎞⎟
I = Is e
−1
⎝
⎠
€
Escalas expandidas o
comprimidas para ver mas
detalles
ANÁLISIS MATEMATICO
MATERIAL SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO EN EQUILIBRIO
Concentraciones en material intrínseco:
Concentración intrínseca:
B: Parámetro dependiente del material. Para el silicio 5,4 x1031
T: Temperatura en ºK
EG: Banda de energía. Para el silicio 1,12 eV. Es la mínima energía
requerida para romper un enlace covalente y generar un par electrón-hueco
k: Constante de Boltzmann: 8,62 x 10-5 eV/ºK
A temperatura ambiente ni= 1,5 x 1010 portadores/cm3
Un cristal de silicio tiene 5 x 1022 átomos/cm3
Están ionizados menos de uno de cada 1012 átomos
CORRIENTE DE DIFUSIÓN
Corriente de difusión de los huecos
dp/dx negativo, Jp positivo en dirección x
Corriente de difusión de los electrones
dn/dx negativo, Jn negativo en dirección x
J: Densidad de corriente en A/cm2
Dp: Constante de difusión de los huecos.
Silicio 12 cm2/s
Dn: Constante de difusión de los electrones.
Silicio 34 cm2/s
q: Carga del electrón 1,6 x 10-19 C
CORRIENTE DE DERIVA, ARRASTRE O DESPLAZAMIENTO
AL APLICAR UN CAMPO ELÉCTRICO "E"
Corriente de deriva de los huecos
Corriente de deriva de los electrones
Corriente de deriva total
Resistividad
µn : Movilidad de los electrones. Silicio1350 cm2/V-s
µp : Movilidad de los huecos. Silicio 480 cm2/V-s
Ecuación de Einstein VT =25,2 mV a 300ºK
MATERIAL SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO TIPO N
Impurezas donantes: Fósforo.
Densidad de impurezas donantes: ND
Átomos ionizados tienen carga positiva
Portadores mayoritarios: Electrones. Portadores minoritarios: Huecos
Densidad de portadores mayoritarios en equilibrio: nno
Densidad de portadores minoritarios en equilibrio: pno
En equilibrio térmico se cumple:
Por lo tanto, en un material tipo N en equilibrio
térmico, la concentración de portadores mayoritarios
(electrones) permanece prácticamente constante,
mientras que la concentración de portadores
minoritarios (huecos) depende de la temperatura
MATERIAL SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO TIPO P
Impurezas donantes: Boro.
Densidad de impurezas donantes: NA
Átomos ionizados tienen carga negativa
Portadores mayoritarios: Huecos. Portadores minoritarios: Electrones
Densidad de portadores mayoritarios en equilibrio: ppo
Densidad de portadores minoritarios en equilibrio: npo
En equilibrio térmico se cumple:
Por lo tanto, en un material tipo N en equilibrio
térmico, la concentración de portadores mayoritarios
(electrones) permanece prácticamente constante,
mientras que la concentración de portadores
minoritarios (huecos) depende de la temperatura
EL VOLTAJE DE JUNTURA
Para el silicio, los valores típicos del voltaje de juntura a temperatura
ambiente, están entre 0,6 y 0,8 V
ANCHO DE LA REGIÓN DE CARGA ESPACIAL
Por lo general uno de los materiales está mucho más dopado que el otro.
La zona de vaciamiento se extenderá mas en el más ligeramente dopado.
Para que se cumpla la condición de
igualdad de carga:
De donde
El ancho de la región de carga
espacial está dado por:
(Rango de 0,1 µm a 1 µm)
εs: Permitividad eléctrica
ECUACIÓN DE LA JUNTURA EN LA REGIÓN DIRECTA
Distribución de los portadores minoritarios en una juntura PN polarizada
directamente. La región P está mucho más dopada que la región N
RELACIONES
Ley de la juntura: Relaciona las
concentraciones de los portadores
minoritarios con el voltaje directo V.
La distribución del exceso de
concentración de huecos en
la región N es una función
exponencial que decae con la distancia x
Lp es la longitud de difusión de los huecos en la
región N, relacionada con el tiempo de vida del
exceso de portadores minoritarios τ p
Valores típicos para Lp: 1 a 100 µm
Valores típicos para τ p : 1 a 10.000 ns
CORRIENTES DE DIFUSIÓN EN LA JUNTURA
Los huecos que se
difunden en la región N
dan lugar a una corriente
de difusión que puede
expresarse como:
Jp decae con la distancia debido a la recombinación de los huecos con los
electrones. En estado estacionario el circuito externo proporciona los
electrones necesarios para que la corriente se mantenga constante.
La densidad de corriente debida a la
inyección de huecos en la región N a
través de la zona de carga espacial es:
La densidad de corriente debida a la
inyección de electrones en la región P a
través de la zona de carga espacial es:
ECUACIÓN DE LA CORRIENTE TOTAL
Dado que Jp y Jn tienen el mismo signo, pueden sumarse y multiplicarse por
el área A trasversal de la juntura para obtener la corriente total:
Sustituyendo pno=ni2/ND y npo=ni2/NA queda:
Por lo tanto IS está dada por la expresión: